【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 都提出更高地要求。中頻技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在提供對(duì)稱的電網(wǎng)負(fù)載，因而降低了電網(wǎng)成本。優(yōu)化功率參數(shù)，節(jié)省能源消耗。由于縮短了焊接時(shí)間和降低了電流負(fù)荷，因而提高了電極使用壽命。對(duì)負(fù)荷不大的中頻焊機(jī)，采用空冷，可以降低對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)的投入。同時(shí)采用中頻焊機(jī)加大喉深不會(huì)引起次級(jí)電路的功率損失。因此中頻焊機(jī)應(yīng)是未來電阻焊機(jī)的發(fā)展方向。 4）電阻點(diǎn)焊的發(fā)展趨勢(shì) 電阻點(diǎn)焊是一 個(gè)高度非線性、多變量耦合作用和存在大量隨機(jī)不確定因素的過程，而且形核處于封閉狀態(tài)且無法觀測(cè)，質(zhì)量信息的提取難度也非常大。影響電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的因素很多，包括接頭設(shè)計(jì)、材料性能、工藝方法選擇、電阻焊設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性，甚至還包括焊工操作水平和生產(chǎn)環(huán)境，這些因素都使得焊接過程復(fù)雜程度增加，使質(zhì)量控制變得非常困難。而且隨著電阻點(diǎn)焊應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深入，對(duì)焊接質(zhì)量也提出了越來越高的要求。在早期的點(diǎn)焊實(shí)時(shí)控制研究中，工作重點(diǎn)主要是尋找能夠反映熔核形成的參量作為質(zhì)量控制的被控制量 [13]。這些方法雖有優(yōu)點(diǎn)，但也在不同 程度上存在局限性，難以獲得滿意的控制效果。原來的經(jīng)典過程控制手段難以獲得滿意的焊接質(zhì)量，點(diǎn)焊過程控制己由宏觀向微觀、由簡(jiǎn)單控制向智能控制發(fā)展 [14]。 低碳鋼在工業(yè)中的作用 本課題研究低碳鋼的焊接參數(shù)分布，低碳鋼一般軋成角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼管、鋼帶及鋼板，用于制作各種建筑構(gòu)件、容器、箱體、爐體和農(nóng)用機(jī)具等。優(yōu)質(zhì)低碳鋼軋成薄板，制作汽車駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等深沖制品；制成棒材，用于制作強(qiáng)度要求不高的機(jī)械零件。 鍍鋅鋼在工業(yè)中的作用 為了提高產(chǎn)品的耐腐蝕性能，在汽車、家電等行業(yè)越來越廣泛地使用各種 類型的鍍鋅鋼板，根據(jù)鍍鋅工藝、鍍鋅成分等不同，鍍鋅鋼板分為：電鍍鋅板、熱鍍鋅板、 ZnNi合金鍍層板、 ZnFe 合金鍍層板等。由于鍍層金屬的物理性能與導(dǎo)電性能不同于低碳鋼，所以鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊性能與未鍍鋅的同種鋼板有較大的不同，且從其使用性能考慮，對(duì)接頭質(zhì)量要求更高，即點(diǎn)焊時(shí)既要保證產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的接頭，還應(yīng)合理地保護(hù)鍍層。 由于鍍鋅鋼板在其點(diǎn)焊焊接性上存在一定的難點(diǎn)，這些年來各國(guó)焊接工作者就鍍鋅鋼板的焊接性方面圍繞著焊接工藝規(guī)范、焊接過程的數(shù)值模擬、電極壽命等問題作了大量的研究工作。 鍍鋅鋼有良好的耐腐 蝕性， 汽車在行駛過程中受到大氣、水 (包括酸雨 )的腐蝕。各國(guó)都對(duì)汽車的耐腐蝕性能提出了嚴(yán)格的要求。其中美國(guó)、日本都提出了耐表面腐蝕 5年，耐穿孔腐蝕 10年。但是傳統(tǒng)的冷軋鋼板已不能滿足這方面的需求。根據(jù)鋅和鐵的電化學(xué)特征，人們認(rèn)識(shí)到鍍鋅層可以阻止鋼鐵的腐蝕，同時(shí)鋅腐蝕后在金屬表面形成致密的ZnO、 Zn(OH) 2和 ZnCO3[15]又可以使自身腐蝕速度減慢，即使在油漆層受到破損的情況下也能保持較好的耐腐蝕性。為了提高汽車的耐腐蝕性及使用壽命，國(guó)內(nèi)外都在不斷推廣應(yīng)用鍍鋅鋼板 [16]。隨著汽車工業(yè)引進(jìn)技術(shù)的不斷消化 ，國(guó)內(nèi)鍍鋅鋼板在車身板材上的應(yīng)用也日見廣泛。以引進(jìn)技術(shù)的北京吉普生產(chǎn)的切諾基為例，整車車身需鋼板 公斤，其中鍍鋅鋼板 ，占總用量的 70%。國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的中華牌轎車，鍍鋅鋼板的應(yīng)用也超過了 80%?？偟膩碚f鍍鋅鋼板在車身上，尤其在轎車車身上用量應(yīng)占汽車?yán)滠埍“宓?70%左右。 目前，國(guó)際上對(duì)鍍鋅鋼板的焊接工藝研究基本成熟，進(jìn)一步研究的熱點(diǎn)主要集中在如何提高鍍鋅鋼板點(diǎn)焊電極壽命，例如采用彌散強(qiáng)化銅合金 [17]或通過對(duì)電極的低溫處理等措施提高電極的使用壽命 [18]。在國(guó)外，熱鍍鋅板己經(jīng)普遍向鍍鋅 鋁板和熱鍍 .鋅板發(fā)展 HDG[19]。 70 年代開始?xì)W美各國(guó)開始在車身上采用鍍鋅鋼板 [20]，此后鍍鋅鋼板在汽車行業(yè)應(yīng)用的比例不斷增長(zhǎng)。 1998 年，美國(guó)用于汽車制造業(yè)的鍍鋅鋼板達(dá)到 240 萬噸，占鍍鋅板總量的 30%。歐洲汽車工業(yè) 1987 年消耗鍍鋅板 130 萬噸，占鍍鋅板總消耗量的 26%。日本早在 1980 年消耗的鍍鋅板總量就高達(dá) 140 萬噸 [21]。 鍍鋅鋼板的鍍鋅工藝方法有熱浸鋅、電鍍、熱噴鍍、真空蒸發(fā)鍍、機(jī)械滾鍍等。目前汽車行業(yè)中常用的鍍鋅鋼板大致分為熱浸鍍鋅鋼板、電鍍鋅鋼板及熱噴涂鋅鋼板。雖然近幾十年來電鍍鋅得到 長(zhǎng)足的發(fā)展，但由于熱鍍鋅板鍍層厚，耐蝕性強(qiáng)、成本低，因此汽車車身在鍍鋅板中以熱鍍鋅為主。其中熱鍍鋅占全部鍍鋅量的 90%以上 [15]。主要熱鍍鋅工藝方法有惠林法、賽拉絲法、森吉米爾法等。熱鍍鋅法是將低碳鋼底部浸入熔化鋅中，從鋅槽中取出后，再用軋輥壓延以調(diào)整鍍鋅層厚度。森氏鍍鋅法是將母材表面在還原氣氛中進(jìn)行活性化處理的同時(shí)加以退火，然后再浸入加在少量鋁的鋅溶液中使之鍍鋅。其中鋅液中除了殘留的錯(cuò)配元素，還包含故意添加的鋁、鉛及銻。添加鋁的主要目的是控制鋅鍋中氧化皮的形成和鋅鐵 (ZnFe)金屬間化合物的形成對(duì)鋅膜的 粘滯力產(chǎn)生不良的影響。有時(shí)添加鉛及銻來控制鋅結(jié)晶花尺寸以及提高可潤(rùn)濕性。這種方法對(duì)合金層的擴(kuò)展能較好的抑制，壓延性良好。庫(kù)克 .諾德曼法是一種采用水溶性溶劑的干式連續(xù)鍍鋅法。用這種鍍鋅方法得到的鋅鐵合金層厚度也是不 同的。 本課題的 研究意義 電阻焊作為一種高效、廉價(jià)且機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高的連接技術(shù)，在汽車工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。無論是在汽車車身組裝中，還是汽車零部件的生產(chǎn)中，電阻焊工藝都占據(jù)了相當(dāng)重要且相當(dāng)比例的地?cái)?shù)量位。其發(fā)展方向及特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面： 1） 由于生產(chǎn)技術(shù)更新加快，車型變化加快 ，要求車身生產(chǎn)線的自動(dòng)化和柔性化程度提高 。 2） 為了適應(yīng)汽車的小型化和輕量化發(fā)展及提高汽車的耐腐蝕能力，汽車用材料將發(fā)生很大的變化，目前已有許多車型的汽車車身部分或全部采用鍍鋅鋼板替代了冷軋鋼板，并將應(yīng)用更多的中強(qiáng)鋼高強(qiáng)鋼。此外，一些發(fā)達(dá)國(guó)家正在研制全鋁車身的轎車 。 3） 隨著汽車產(chǎn)量的不斷上升，生產(chǎn)節(jié)奏加快，對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量控制和檢驗(yàn)提出了更高的要求。 汽車車身焊裝包括車身底板、車架、車頂、車門及車身總成等部分的焊接，在它的焊裝過程中，大量采用電阻點(diǎn)焊工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每一輛汽車車身上，約有 3000～ 4000個(gè)電阻點(diǎn) 焊焊點(diǎn)。電阻焊是車身裝配時(shí)的主要工藝手段，在車身底板、側(cè)圍、車架、車頂、車門及車身總成等部分的焊裝中，大量采用電阻點(diǎn)焊工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每一輛轎車車身上，約有 4000—6000個(gè)電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)，例如：上海大眾 “帕薩特 ”白車身裝配中，每輛車的總焊點(diǎn)數(shù)達(dá)到 5892點(diǎn)。因此，提高點(diǎn)焊質(zhì)量對(duì)保證車身裝配質(zhì)量，控制車體誤差有著深遠(yuǎn)的意義 [22]。 本課題的研究對(duì)象是低碳鋼和鍍鋅鋼點(diǎn)焊參數(shù)的分布，而低碳鋼和鍍鋅鋼在工業(yè)中有著廣泛地作用，所以研究這 2種材焊接參數(shù)分布，對(duì)電阻點(diǎn)焊有一個(gè)更全面的了解，對(duì)以后在工廠工作有著重要的指導(dǎo) 作用。 本課題的研究?jī)?nèi)容 本課題研究的內(nèi)容主要有以下方面： 1） 對(duì)低碳鋼板進(jìn)行點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，得到最佳適焊區(qū)間。 2） 對(duì)鍍鋅鋼進(jìn)行點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，得到最佳適焊區(qū)間。 3） 通過對(duì)焊接過程中的飛濺、熔核進(jìn)行分析，畫出焊接電流與焊接時(shí)間的關(guān)系曲線，分析各個(gè)焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，研究各種參數(shù)和材料對(duì)適焊區(qū)間的影響。 4） 通過分析焊接過程中得到的不當(dāng)工藝參數(shù)，例如飛濺過早，焊接質(zhì)量較差，研究各個(gè)不當(dāng)因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響。 2 低碳鋼板與鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊工藝分析 低碳鋼板點(diǎn)焊工藝 特點(diǎn) 點(diǎn)焊低碳鋼有良好的焊接性能，低碳鋼的電阻率適中，需要的焊機(jī)功率不大； 低碳鋼在大氣中的抗腐蝕能力較低。因之，這些金屬在運(yùn)輸、存放和加工過程中常常用抗蝕油保護(hù)。如果涂油表面未被車間的贓物或其它不良導(dǎo)電材料所污染，在電極的壓力下，油膜很容易被擠開，不會(huì)影響接頭質(zhì)量； 塑性溫度區(qū)寬，易于獲得所需的塑性變形而不必使用很大的電極壓力。碳與微量元素含量低，無高熔點(diǎn)氧化物，結(jié)晶溫度區(qū)間窄、高溫強(qiáng)度低、熱膨脹系數(shù)小、因而開裂傾向小。這類鋼具有良好的焊接性，其焊接電流、電極壓力和通電時(shí)間等工藝參數(shù)具有較大的調(diào)節(jié)范圍 [34]。 由于低碳鋼含碳量低，錳、硅含量也少，所以，通常情況下不會(huì)因焊接而產(chǎn)生嚴(yán)重硬化組織或淬火組織。低碳鋼焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，焊接時(shí)，一般不需預(yù)熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，整個(gè)焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優(yōu)良。 焊接質(zhì)量的好壞一個(gè)取決于材料，另一個(gè)取決于焊接參數(shù)的設(shè)置，由此可以看出低碳鋼的焊接質(zhì)量因?yàn)槠浜附有缘牧己茫饕Q于焊接參數(shù)的正確設(shè)置。 總之，低碳鋼是屬于焊接性最好、最容易焊接的鋼種，所有焊接方法都能適用于低碳鋼的焊接。 鍍鋅鋼板點(diǎn)焊工藝特點(diǎn) 1） 接觸電阻小。由于鍍鋅層的存在，點(diǎn)焊開始時(shí)，焊件之間實(shí)際上是鋅與鋅的接觸，由于鋅的硬度低，電阻率低，故點(diǎn)焊開始時(shí)焊件與焊件接觸面上的接觸電阻很小，不利于熔核的形成。 2） 焊接電流密度小，由于鍍鋅層的熔點(diǎn)低，焊接過程中，焊件間的鍍鋅層熔化后擠出塑性環(huán)，增大了焊件與焊件的接觸面，使焊接電流密度減小，電流場(chǎng)的分布不穩(wěn)定，影響熔核的形成與大小。 3） 易出現(xiàn)裂紋、氣孔或軟化組織。在鍍鋅鋼板點(diǎn)焊過程中，由于焊接規(guī)范不合理，使接頭中殘留部分鋅及鋅鐵合金，在熔核結(jié)晶過程中，可能形成細(xì)小裂紋或氣孔，殘留鋅較多時(shí)還會(huì)形成軟化組織 。 4） 焊件與電極易沾污或形成合金，電極壽命短。焊接時(shí)，電極與焊件接觸面上的鋅層熔化后，與電極工作面粘結(jié)，鋅原子向電極擴(kuò)散，電極表面形成鋅銅合金，使其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能變差，表面硬度下降，同時(shí)也易使焊件表面鍍層遭到破壞。連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)，電極頭將迅速過熱而變形，焊點(diǎn)強(qiáng)度逐漸降低，電極使用壽命將縮短。 低碳鋼板與鍍鋅鋼板的點(diǎn)焊工藝對(duì)比 低碳鋼由于焊接性能良好，現(xiàn)通過分析鍍鋅鋼的焊接工藝與之比較，鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊工藝主要有兩大問題： 1） 焊接規(guī)范很窄 對(duì)無鍍層鋼板，在點(diǎn)焊接頭的形成過程的通電加熱階段，在焊接壓力的 作用下金屬產(chǎn)生塑性變形并擠向板縫，這一塑性變形有助于形成密封熔核的環(huán)帶，同時(shí)也導(dǎo)致板縫發(fā)生翹離，從而限制了導(dǎo)電通路的擴(kuò)大，這有利于保持足夠的電流密度。繼續(xù)加熱后，開始出現(xiàn)液態(tài)熔核，并逐漸擴(kuò)大到所需的熔核尺寸。斷電后進(jìn)入冷卻結(jié)晶階段。而對(duì)于鍍鋅鋼板的熔核形成過程，在預(yù)壓階段，鋅層的熔點(diǎn)低、硬度小、塑性好，在點(diǎn)焊壓緊時(shí)就很容易使電極端面與板之間，板與板之間的實(shí)際接觸面積比普通鋼板大，板間的壓緊程度緊密。通電時(shí)，因?yàn)榻佑|面積大，其電流密度比在相同工藝條件下的一般鋼板大為減少。當(dāng)通電加熱時(shí)，由于鋅的熔點(diǎn)較低 (約 420℃ )，鋅將先于鋼板熔化，堆附于電極端面邊緣及板的間隙內(nèi)。當(dāng)電流繼續(xù)加熱時(shí)，鋅層熔化區(qū)域增大，與此同時(shí)產(chǎn)生熔核，并在電流邊緣效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生熔核的塑性環(huán)，將板間部分的鋅包圍于熔核內(nèi)。有的殘留液態(tài)鋅可以分布在電極端面周圍部位或板間熔核周圍，形成鋅環(huán)。由于鋅環(huán)的分流作用，使點(diǎn)焊時(shí)需更大的焊接電流，以及適當(dāng)增加壓力和通電時(shí)間。同時(shí)壓力、電流、時(shí)間等焊接參數(shù)又受到鍍層厚度的影響，因此如何結(jié)合工廠實(shí)際，選取合適的工藝參數(shù)是值得研究。 2） 電極消耗快 電阻點(diǎn)焊在汽車、航空和家電裝配中的應(yīng)用中也在日益增加，而鍍鋅鋼板和 鋁合金的越來越多的應(yīng)用是上述行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。電阻點(diǎn)焊鍍鋅鋼板和鋁合金存在主要問題是點(diǎn)焊電極的失效 [2325]。電極是點(diǎn)焊中的易耗零件，電極頭的溫度上升很快，達(dá)到了稍低于焊點(diǎn)熔核的高溫，使電極頭部在高溫及壓力作用下失效。熱浸鍍鋅鋼板與電鍍鋅鋼板相比，有一種獨(dú)特的閃燦花紋，而且熱浸鍍鋅鋼板因鍍層厚，要增加電極的修整次數(shù)，比電鍍鋅鋼板來說電極損耗更嚴(yán)重，電極壽命更短 [26]。對(duì)于點(diǎn)焊熱浸鍍鋅鋼板與電鍍鋅鋼板，在其它條件不變的情況下，點(diǎn)焊鍍鋅鋼板的電極壽命是熱浸鍍鋅鋼板的電極壽命的 5倍 [27]。點(diǎn)焊電極，尤其是在 焊接鍍鋅鋼板時(shí)，由于鍍鋅層的存在，鍍鋅鋼板的接觸電阻只有普通鋼板的 1/10一 1/20[28]。同時(shí)由于鋅環(huán)的存在，使電流密度變小。 因此鍍鋅板的焊接和普通低碳鋼相比焊接電流增加 30%，電極壓力增加 10%一30%，焊接時(shí)間不變或減少 20%。由于電極壓力和電流的增大使電極端部變形嚴(yán)重。在電極的端部，由于熱和壓力的聯(lián)合作用，鋅粘附在電極的表面形成合金化，使電極端部的硬度下降，電阻增大，又進(jìn)一步加快了電極的磨損和變形。分析電極材料失效的原因有塑性變形、磨損、合金化、坑蝕 (Pitting)、再結(jié)晶、熱疲勞和粘附等?？?的來說，上述失效形式都是由高溫和壓力聯(lián)合作用引起的 [29]。另外電極失效會(huì)使電極工作部分必須經(jīng)常的挫修或用切削工具加工，此時(shí)電極的一部分金屬被除去，即電極被磨損。電極失效會(huì)帶來一系列的焊接缺陷：焊點(diǎn)不致密或未焊合、焊點(diǎn)形狀不規(guī)則、工件表面有不允許的壓痕、燒損或斑漬、表面熔化、電極在工作表面溶敷等等 [4]。 提高鍍鋅鋼板點(diǎn)焊質(zhì)量的途徑 1） 不鍍鋅與鍍鋅低碳鋼 選擇并嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)。鍍鋅鋼板點(diǎn)焊質(zhì)量的評(píng)估是指單個(gè)焊點(diǎn)的強(qiáng)度，耐腐蝕性的高低，更重要的是指在大生產(chǎn)條件下焊點(diǎn)的合格率。在實(shí)際生產(chǎn)中影響焊接 質(zhì)量的因素相當(dāng)多，例如網(wǎng)路電壓的波動(dòng)、分流、電極的磨損，以及裝配質(zhì)量等。由于鍍鋅鋼板焊接參數(shù)的范圍本來就小，更需要嚴(yán)格控制，在板厚變化時(shí)還需要進(jìn)行調(diào)整。 2） 采用合理的電極材料、電極形狀和尺寸，并及時(shí)修整或更換電極，電極良好的冷卻對(duì)保證焊接質(zhì)量是很重要的。 3） 采用多脈沖或 Slope電流方法來焊接鍍鋅鋼板。一種是增加預(yù)熱和后熱電流，另一種是增加緩升和緩降電流。 通過用高速攝影拍攝焊核的形成過程，研究了改變電流的作用， 認(rèn)為： ； ； 的電流改變有助于約束熔核，防止飛